【技术实现步骤摘要】
基于CUDA的波数域三维超声全矩阵成像方法
[0001]本专利技术属于工业超声无损检测
,涉及一种基于CUDA的波数域三维超声全矩阵成像的实现方法。
技术介绍
[0002]作为重要的无损检测技术,超声检测从一开始的无损探伤、无损检测的定性分析,已经转向定量无损评价的方向发展,这也对超声检测技术的定量检测特性提出了更高的要求。随着现代工业结构的复杂化以及工业设备运行条件的极端化,对工件与设备质量的要求也越来越高,同时也要求超声检测技术能够发现和检测出更加细微的缺陷,并且对检出缺陷的位置、形态和类型都有了更高的要求。在这种情况下,传统的常规超声已经无法满足要求。相控阵换能器是由多组小型的晶片阵元按照一定的几何方式排列而成,通常有线阵、面阵以及环形阵列等结构。相控阵超声检测技术凭借其波束的柔性合成与自适应控制能力,在检测效率、检测范围、声束可达性和灵敏度方面具有明显的技术优势,也使其在近二十年来得到了快速发展和广泛应用。
[0003]在相控阵超声无损检测中,全矩阵数据采集通过相控阵换能器依次激励单个换能器阵元发射超声波,然后用所有阵元接收回波信号并存储,充分利用了相控阵超声换能器中全部阵元发射接收的信号数据,包含了换能器阵元从不同角度入射到被测工件内的声波信息,拥有更加全面的被测工件内部信息,对于缺陷位置、尺寸和形态的描述更全面、更准确。尤其是当缺陷位置不可知时,相控阵超声全矩阵成像无需反复调整声束偏转角度与聚焦位置,只需按照原有的数据采集方式即可获得未知缺陷的全面信息。这一特性大大提高了相控阵超声成像的检测 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于CUDA的波数域三维超声全矩阵成像方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一:设置面阵超声换能器,以直接接触的方式与各向同性均匀介质的试件耦合,使用全矩阵模式采集原始三维全矩阵数据,确定所用试件的声速、面阵超声换能器的参数以及所成三维图像的大小范围,以面阵超声换能器左下角的阵元的中心为坐标原点,以面阵超声换能器的两边为X轴和Y轴,以垂直换能器平面的声波传播方向为Z轴,建立原始数据坐标系;步骤二:确定五维傅里叶变换每个维度的计算长度,基于Weyl
’
s Identity编写CUDA核函数,计算原始数据坐标系和图像坐标系之间的波数转换关系;步骤三:拷贝CPU内存中的原始三维全矩阵数据至GPU显存中,于CUDA核函数中将三维全矩阵数据重排列为五维全矩阵数据,数据索引按维度组成;使用行
‑
列算法分解五维傅里叶变换,按照矩阵转置的坐标关系改变数据在存储空间中的索引,将五维傅里叶变换转换为计算多次二维和三维傅里叶变换;使用快速五维傅里叶变换,将原始数据转换到波数域,并且对频率维度做矩形窗截断;步骤四:对于波数域五维矩阵中发射维度的每组三维数据,按照步骤二中原始数据坐标系和图像坐标系之间的波数转换关系为插值索引,选取空间维度上相邻的若干个点为参照,使用插值算法分别计算波数域五维矩阵在三维图像下的Stolt映射;步骤五:对于步骤四中计算得出的波数域Stolt映射,提取其中每组三维数据分别对齐叠加,获得三维波数域图像矩阵,做三维快速反傅里叶变换,将图像矩阵由波数域重新变换到空间域,生成三维超声全矩阵图像,截断感兴趣区域以外的部分;步骤六:对于步骤五所生成三维超声全矩阵图像,将其从GPU显存中拷贝到CPU内存中,压入VTK模块的数据处理流水线,使用最大密度投影渲染为二维图像并显示在窗口,并且能够实时更新数据,交互改变视角位置和焦点远近。2.根据权利要求1所述的基于CUDA的波数域三维超声全矩阵成像方法,其特征在于,步骤一中所述的试件为均匀各向同性介质,其声速设为c,使用的面阵超声换能器的阵元数分布为其中离散下标w1,w2分别代表面阵超声换能器在X轴和Y轴方向上的阵元数量,而X轴和Y轴的阵元中心间距pitch分别为试件及成像区域摆放在Z轴正半轴,成像区域的像素点数在X,Y和Z轴方向分别设为N
x
,N
y
,N
z
,其像素点的间距分别为d
x
,d
y
,d
z
;成像区域的原点与原始数据坐标系原点重合;获得的原始三维全矩阵超声数据记为e
raw
(t0,v,u)。3.根据权利要求1所述的基于CUDA的波数域三维超声全矩阵成像方法,其特征在于,所述的步骤二具体为:由深度、宽度和像素间隔求出五维傅里叶变换每个维度的所需要的点数值,分别为N
t
,其中离散下标t代表时间,v1,v2代表接收阵元在X和Y轴方向的分量,u1,u2代表发射阵元在X和Y轴方向的分量;使用全矩阵采集进行成像时,有通过Weyl
’
s Identity和包含格林函数的前向传播模型,所述的Weyl
’
s Identity在三维空间中的具体表达式为:
其中,G(ω,x,y,z)为三维空间中平面波分解的格林函数,k为空间波数,k
x
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